Cette étude porte sur l'évolution de la microstructure des aciers inoxydables austénitiques sous irradiation et les conséquences de cette évolution sur leur comportement en milieu REP. Un acier 304L a été irradié aux protons à 360°C à 5 et 10 dpa. Suite à ces irradiations, la sensibilité du matériau à l'IASCC a été étudiée en milieu primaire simulé à 350°C, avec suivi par microextensométrie des champs locaux de déformation. Parallèlement à ce travail, des lames minces ont été irradiées in situ aux ions Ni++ à 500°C jusqu'à 2 dpa avec implantation simultanée d'hélium. Ces expérimentations nous ont permis (i) grâce au couplage microstructure /champs mécaniques /fissuration de mieux comprendre les paramètres responsables de l'amorçage de l'IASCC en milieu réducteur (ii) de définir le rôle joué par l'hélium sur l'évolution des défauts d'irradiation. Il s'avère que, dans les conditions d'étude, l'implantation d'hélium n'a qu'un effet limité sur les populations de boucles de dislocation et de cavités pour des rapports inférieurs à 800 appm He/dpa. Des cavités ont été observées avec et sans implantation d'hélium, y compris dans les joints de grains ce qui pourrait être un facteur de fragilisation. L'ensemble des essais de corrosion sous contrainte ont validé que la densité de fissures augmente avec l'augmentation du taux de déformation et qu'un chargement séquentiel conduit à une plus grande ouverture et propagation en surface des fissures. Ces fissures se propagent en profondeur dans la couche irradiée notamment du fait de la surcontrainte générée par le fort gradient de propriétés entre la zone irradiée et non irradiée du matériau. Les mécanismes de déformation activés sont complexes et du maclage a été observé après 2 et 10% de déformation macroscopique. La déformation après irradiation est fortement localisée sous forme de bandes intragranulaires et autour de certains joints de grains, mais la déformation de ces joints ne semble pas constituer un critère d'amorçage. L'absence de transmission de la déformation de part et d'autre des joints fissurés est par contre systématiquement observée et la connaissance de l'état de contrainte local s'avère indispensable pour décrire l'amorçage de l'IASCC en milieu réducteur. Une méthodologie basée sur l'exploitation des résultats expérimentaux (champs d'orientation cristallographique, champs cinématique) appliquée à une simulation aux éléments finis permet d'estimer l'état local de contrainte, seul à même de discriminer un critère d'ouverture de fissure. / This work deals with the microstructure evolution of austenitic stainless steels under irradiation and the consequences of this evolution on their behavior in PWR environment. 304L steel was proton-irradiated at 360°C to 5 and 10 dpa. Following these irradiations, IASCC was studied in a 350°C simulated primary water, with strain fields measurements using digital image correlation. In parallel, thin foils were irradiated in situ with Ni++ ions at 500°C up to 2 dpa with simultaneous helium implantation. These experiments allowed us (i) to have a better understanding of the key parameters responsible of the IASCC initiation in reducing environment thanks to the coupling between microstructure, mechanical fields and cracking (ii) to define the role of helium on the nucleation and evolution of radiation defects. It turns out that, in the studied conditions, the implantation of helium has only a limited effect on the dislocation loop and cavity populations for ratios lower than 800 appm He/dpa. Cavities were observed with and without helium, including in the grain boundaries which could be a factor of embrittlement. The stress corrosion cracking tests resulted in an increase of the crack density with the increase of the macroscopic deformation and in a bigger opening and on-surface propagation of cracks after a sequential loading. These cracks propagate deeply in the irradiated layer partly because of the overstress generated by the strong gradient of mechanical properties between the irradiated and non-irradiated zones of the material. The activated deformation mechanisms are complex and twinning was observed after 2 and 10% of macroscopic deformation. The deformation after irradiation is strongly localized in transgranular bands and around some grain boundaries, but it appears that the strong deformation around boundaries is not an initiation criterion. Deformation discontinuity on both sides of cracked boundaries is systematically observed and evaluation of the local stress state appears to be essential to describe IASCC initiation. This local stress state could be calculated by finite elements, taking into account the experimental results in terms of crystallographic orientation fields or Kinematics fields strong heterogeneity of local deformation quantified in this work.

Une approche expérimentale mettant en œuvre des techniques électrochimiques et mécaniques a été utilisée pour étudier la corrosion sous contrainte (CSC) de l’acier inoxydable 304L dans des électrolytes acides (0,5-5 M H2SO4) avec et sans chlorure. La CSC a été réalisée dans le but d’étudier les aspects cristallographique et cinétique de la rupture. La microscopie électronique à balayage a dévoilé, d’une part, des traces successives au niveau des plans de glissement sur les facettes de la fissure, et d’autre part une vitesse non-linéaire de la fissuration. Une méthode a été proposée pour accéder à la cristallographie de fissuration en utilisant la diffraction d'électrons rétrodiffusés (EBSD). Il a été démontré que les ruptures préférentielles s’effectuent au niveau des plans {111} pour ¾ du temps et des plans {110} le reste du temps. Ces résultats soutiennent les modèles récents de la CSC, tels que la plasticité localisée rehaussée par la corrosion. Les profils d’évolution de la contrainte appliquée/résiduelles ont été déterminés par diffraction des rayons X avant et après CSC. Ces analyses serviront à développer un modèle de rupture micro-mécanique. Lors des essais potentiodynamiques optimisés de corrosion, les taux de dissolution élémentaires et le courant total ont été mesurés en combinant une cellule d'écoulement électrochimique et l'analyse des produits de corrosion par spectroscopie d'émission atomique à plasma à couplage inductif. Ces résultats ont été utilisés, pour séparer la partie de courant consacré à la formation de la couche passive du courant total. Le modèle de conduction ionique sous tension élevée a été mis à jour pour calculer le taux de passivation et l'épaisseur de la couche passive. Les contraintes dans le matériau expliquent une différence mesurable de la cinétique de croissance du film passif et de son épaisseur. / : A multidisciplinary experimental approach of electrochemical and mechanical techniques was employed to study the corrosion of different stress states of 304L stainless steel in acidic electrolytes (0.5-5 M H2SO4) with and without chloride additives. Stress corrosion cracking (SCC) conditions were applied to evidence cracking crystallographical and propagation aspects. Scanning electron microscopy of SCC revealed clear traces of successive slipping planes and consequent dissolutions on the crack facets, and nonlinear crack propagation kinetics. A method was proposed to access cracking crystallography using electron back scattered diffraction. It demonstrated {111} and {110} preferential cracking planes in proportion of about 75% and 25% respectively, which supports recent SCC models such as corrosion enhanced localized plasticity. The profiles of (applied/residual) stress evolution measured by X-ray diffraction before and after SCC were used as an introduction to develop a micro-mechanical cracking model. During optimized potentiodynamic corrosion tests, elemental dissolution rates and total current transients were measured by combining electrochemical flow cell and downstream solution analysis by inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy. The results were used to separate the current portion spent on passive film formation from the total current. The high field ion conduction model was upgraded to calculate the constructed passive film thickness and passivation rate. The applied stress caused a measurable difference in passive film growth kinetics and its thickness.

En situation d’interaction pastille-gaine (IPG), les gaines de crayons combustible en alliage de zirconium sont susceptibles de rompre lors de transitoires de puissance incidentels dans les réacteurs à eau pressurisée, par un mécanisme de corrosion sous contrainte induite par l’iode (CSC-I). Cette étude traite de l’amorçage intergranulaire des fissures de CSC-I dans le Zircaloy-4 recristallisé, en milieu méthanol iodé à température ambiante, en s’intéressant particulièrement aux paramètres mécaniques critiques et à la concentration en iode. Pour cela, une approche mêlant expériences et simulations numériques a été adoptée. Un modèle de comportement mécanique macroscopique de l’alliage, viscoplastique et anisotrope, a été établi et validé sur une large gamme de sollicitations. Par la réalisation de nombreux essais de traction à vitesse de déformation imposée et de fluage en flexion quatre points, nous avons montré l’existence d’une concentration seuil I0 proche de 10-6 g.g-1 nécessaire à l’apparition du dommage de CSC-I, mais également celle d’une concentration de transition I1 proche de 2 10-4 g.g-1 au-delà de laquelle le mécanisme change, menant à un amorçage anticipé des fissures et une sensibilité réduite de l’endommagement aux paramètres mécaniques. L’importance de la concentration sur des paramètres tels que la densité des fissures, leur longueur moyenne et la vitesse de propagation intergranulaire et transgranulaire a été mise en évidence. Les résultats expérimentaux montrent que la déformation plastique macroscopique n’est pas indispensable à l’amorçage de fissures de CSC-I, pour un temps d’essais suffisamment long en présence de contrainte. Son principal effet est de précipiter l’apparition de fissures par la création de sites d’amorçage, par rupture de la couche d’oxyde et accumulation de contrainte intergranulaire. En dessous de I1 la détermination des déformations critiques à l’amorçage montre un fort effet de vitesse. Dans ce domaine, une contrainte seuil de 100 MPa a été déterminée, bien inférieure à la limite élastique. L’utilisation d’éprouvettes entaillées et de la simulation numérique a permis de mettre en évidence un fort effet protecteur de l’augmentation de la biaxialité des contraintes vis-à-vis de l’amorçage, dans le domaine élastique comme dans le domaine plastique. Des éprouvettes préalablement irradiées aux protons à une dose de 2 dpa ont été testées dans les mêmes conditions que les éprouvettes non irradiées. La sensibilité accrue du matériau irradié à la CSC-I a pu être quantifiée et nous avons constaté qu’un effet de concentration et un effet de vitesse de sollicitation subsistent après irradiation. L’irradiation induit une localisation plus importante de la déformation menant à un amorçage prématuré des fissures, mais une sensibilité chimique plus importante, tendance à la piquration et décalage de I1, apparaît comme le principal responsable de la plus forte sensibilité de l’irradié. / During the pellet-cladding interaction, Zirconium-alloy fuel claddings might fail when subjected to incidental power transient in nuclear Pressurized Water Reactors, by Iodine-induced Stress Corrosion Cracking (I-SCC). This study deals with the intergranular initiation of I-SCC cracks in fully recrystallized Zircaloy-4, in methyl alcohol solution of iodine at room temperature, with the focus on critical mechanical parameters and iodine concentration. It was carried out with an approach mixing experiments and numerical simulations. An anisotropic and viscoplastic mechanical behavior model was established and validated over a wide range of loadings. With numerous constant elongation rate tensile tests and four points bending creep tests, the existence of a threshold iodine concentration I0 close to 10-6 g.g-1 was highlighted, necessary to the occurrence of I-SCC damage, along with a transition concentration I1 close to 2 10-4 g.g-1. Above I1 the mechanism changes, leading to a sped up crack initiation and a loss of sensitivity towards mechanical parameters. The importance of concentration on parameters such as crack density, crack average length and intergranular and transgranular crack velocities was evidenced. Experimental results show that plastic strain is not required for I-SCC crack initiation, if the test time is long enough in the presence of stress. Its main influence is to rush the occurrence of cracking by creating initiation sites, by way of breaking the oxide layer and building up intergranular stress. Below I1, the critical strains at initiation show a substantial strain rate sensitivity. In this domain, a threshold stress of 100 MPa was found, well below the yield stress. Thanks to the combined use of notched specimens and numerical simulations, a strong protective effect of an increasing stress biaxiality ratio was found, both in the elastic and plastic domains. Proton-irradiated samples, up to a dose of 2 dpa, were tested in the same conditions as fresh specimens. The higher I-SCC sensitivity of the irradiated material was measured and the effects of concentration and strain rate were found to remain. Irradiation leads to a higher strain localization causing early crack initiation, but the main reason for the higher sensitivity of the irradiated material seems to be a chemical one, with higher pitting occurrence and a shift of I1.

Les ruptures imprévisibles de composants de robinetterie gaz constituent une problématique majeure de la sûreté du réseau de GrDF. Actuellement, la prévention des risques de rupture repose sur la réalisation de tests accélérés de sensibilité à la corrosion sous contrainte (CSC), préalablement à la mise en service des composants de robinetterie en laiton. Il s'agit d'éviter des accidents, au caractère potentiellement très dommageable, du fait de l'inflammabilité des gaz transportés. Or, dans certains cas, des endommagements prématurés de composants de robinetterie sont toujours constatés. Les limites du test de sensibilité actuel SROB 100 NF ont été démontrées par le CETIM ; définir un nouveau test accéléré, plus représentatif des endommagements constatés en service sur les éléments de robinetterie, et conduisant à des résultats reproductibles est donc crucial. Ce test devra être facilement adaptable sur site industriel afin de permettre aux industriels fabricants de valider la conformité des lots de pièces vis-à-vis de leur sensibilité à la CSC. Ainsi, les travaux de thèse reposent sur une démarche intégrant d'une part, la compréhension des mécanismes de CSC affectant les pièces en laiton α,β’ CuZn40Pb2 (CW617N) et d'autre part, la capacité à reproduire les endommagements observés en service, de manière accélérée. Grâce aux résultats obtenus, l'étude permet d’envisager l'industrialisation d’un nouveau test en milieu nitrate, à pH 11 sous polarisation anodique. La reproductibilité de l'endommagement obtenu et sa représentativité vis-à-vis des dommages observés en service comme le caractère discriminant du test vis-à-vis des états métallurgiques les moins résistants ont été démontrés. / The unpredictability of ruptures which occur in the gas transfer valves of the French gas network (GrDF), though sporadic, is a major security issue. Currently, the risk prevention is performed through accelerated tests (SROB100 NF) on gas transfer valves to determine their susceptibility to stress corrosion cracking (SCC). The goal behind this test protocol is to avoid serious accidents due to the flammability of the gas being transported. However, in some cases, premature ruptures of gas transfer valves are still being recorded. The limits of the current test protocol SROB 100 NF have been highlighted by the CETIM and therefore, to define a new accelerated test, more reproducible and representative of the damage observed during the service life of the pipework element is crucial. This new protocol has to be easily integrated into the current industrial set-up to allow for quick confirmation of the conformity of the pieces with regards to their susceptibility to SCC. To this end, the current study had a two-pronged approach. First, to understand the SCC mechanisms affecting brass specimen - α,β’ brass CuZn40Pb2 (CW617N); second, to reproduce the damage observed in real time, in an accelerated manner. In conclusion, the results of the study have paved the way for the industrialization of a new test in nitrate solution, at pH 11 under constant anodic polarization. This new test has proven to be reproducible and produces damage characteristics similar to those observed during service life. This study has also brought into evidence the discriminating characteristic of the test, allowing the identification of the metallurgical states of the alloy that are the least resistant to SCC.

L’utilisation de différents alliages à base nickel est largement répandue dans les domaines industriels où les sollicitations mécaniques ou environnementales sont particulièrement sévères. Dans le cas des applications nucléaires, ceux-ci sont utilisés pour leur excellente résistance aux phénomènes de Corrosion Généralisée et de Corrosion Sous Contrainte. Les présents travaux s’intéressent tout particulièrement à la nuance 718 utilisée pour faire les composants fortement sollicités (ressorts, vis, …) présents au sein des assemblages combustibles. Ce sont ainsi plus de 20 millions de pièces qui sont actuellement en service dans les réacteurs français. Les enjeux industriels de sûreté des composants conduisent à des recherches permanentes en vue d’accroître encore davantage leur fiabilité. Des travaux sont ainsi menés depuis plus de quinze ans en étroite collaboration entre Areva et le Cirimat, dans cet objectif. Ces travaux ont en particulier permis la découverte d’un traitement thermique permettant de désensibiliser totalement l’alliage 718 vis à vis des phénomènes d’endommagement assisté par l’environnement. Ce phénomène a été associé à une évolution tant de l’état métallurgique que de la chimie du matériau. Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans la droite lignée de ceux entrepris précédemment. Les paramètres clefs du procédé développé alors ont été identifiés afin d’être reproduits. Des premiers essais conduits en laboratoire ont permis de mettre en évidence une diminution de la sensibilité à la fissuration assistée par l’environnement des matériaux ainsi traités. L’efficacité se révèle néanmoins partielle dans ces conditions. Des essais menés en parallèle dans une enceinte industrielle ont permis d’aboutir à des résultats similaires. Ces résultats se révèlent partiellement satisfaisant au regard de ceux obtenus dans les études précédentes. Aucune différence entre l’état métallurgique des matériaux obtenus dans le cadre de cette étude et ceux issus des travaux antérieurs n’a pu être mise en évidence. En revanche, une différence peut être constatée dans l’évolution de la chimie du matériau, notamment concernant la teneur en éléments interstitiels. Une analyse approfondie des atmosphères de traitement thermique a donc été entreprise afin d’identifier les mécanismes entrant en jeu dans le procédé de désensibilisation et permettant de conduire à une diminution de la teneur en élément interstitiel, en particulier le carbone. Il est ainsi apparu qu’une réaction directe entre l’atmosphère et les éléments interstitiels mis en jeu ne peut avoir lieu. D’autres mécanismes ont alors été explorés afin de conduire à une décarburation de l’alliage 718. Il a alors été mis en évidence que plusieurs alliages modèles Ni-Cr et Ni-Cr-Fe pouvaient être décarburés dans des conditions compatibles avec celles du traitement thermique de désensibilisation, alors qu’aucun échantillon issu du matériau d’étude ne conduit à un résultat similaire. Ceci a été attribué au fait que la majeure partie du carbone contenu dans ce matériau se présente sous la forme de carbures de niobium ou de titane. Cette solution, trop difficile et incertaine à développer d’un point de vue industriel n’a pas été poursuivie. Une voie alternative au traitement thermique seul a été également initiée afin d’atteindre l’objectif industriel initial : réduire fortement la sensibilité de l’alliage 718 à la fissuration assistée par l’environnement. Celle-ci consiste en une adaptation de la gamme thermomécanique de fabrication des produits d’études. Des résultats prometteurs sont présentés dans ce manuscrit mais doivent nécessairement être étoffés avant de pouvoir envisager sereinement une mise en application industrielle de ce procédé alternatif. / Ni-based alloys are widely used in various industrial environments when high mechanical properties and high resistance to uniform corrosion and stress corrosion cracking are required. The present work deals with components made of alloy 718 that are used in fuel assemblies of Pressurized Water Reactors (springs, bolds, screws, …). These are highly solicited and there are more than 20 million in services in core of PWR power plant in France, at present time. A major concern for nuclear industry on based on safety during operations and permanent research works are carried out in order to improve reliability of these components. For more than fifteen years, Areva and Cirimat have performed various studies to complete this goal. Few years ago, this collaboration was successful with the discovery of a particular heat treatment process that allows the desensitization of alloy 718 to environment assisted cracking. This phenomenon was associated to an evolution of both metallurgical state and material chemistry. Results presented in this document are the right continuation of this previous work. Key process parameters have been identified thanks to previous results in order to be reproduced. Experiments were conducted in laboratory equipment, at a first time. They revealed a slight decrease of material susceptibility to environment assisted cracking. Nevertheless, process efficiency appears not as satisfying as observed in previous results. Other tests have been conducted at the same time in an industrial facility and reveal similar results. Atmosphere analyses have been carried out in both laboratory and industrial equipment in order to identify desensitization mechanism, particularly the decrease in carbon content. It appears that a direct reaction between atmosphere and interstitial elements could not be considered as a slight surface oxidation may appear during heat treatment cycle. Other decarburization mechanisms have been explored using both alloy 718 and other Ni-Cr(-Fe) model materials. Decarburizing conditions have been determined on all model materials. Nevertheless, none of them allow the decarburization of studied alloy 718. This was attributed to the fact that most of the carbon in this alloys is precipitated under niobium and titanium carbides. This solution could have been continued but appeared too difficult and highly uncertain regarding industrial scale application. An alternative processing to a sole heat treatment was initiated to reach our main goal: significantly decrease susceptibility of alloy 718 to environment assisted cracking. It is based on an optimization of thermomechanical process route. Some promising results are presented in this document. They must be developed before considering an application to an industrial scale.

Type 304 stainless steel is used in various applications where corrosion resistance is required. This material is selected for weldability and corrosion resistance, but it can suffer stress corrosion cracking (scc), corrosion fatigue, pitting and crevice corrosion in chloride environments. The aim of this project was to produce Type 304 containers with intentional stress corrosion cracks, to serve as test samples for future weld repair trials. A test rig was constructed which used thermal stress to crack Type 304 tube samples; a central Type 310 stainless steel bar contained a heating element, so that the bar serve as a heat source and a stressing element. The rig was filled or half filled with magnesium chloride solution. The elastic strain in the tube sample was directly related to the temperature difference between the central bar and the sample. The thermal stress was sufficient to cause stress corrosion cracking. The tests were terminated when the first crack extended through the wall thickness of the 304 tube sample. The distribution and depth of cracks were determined after the tests. The test procedure caused the formation of multiple cracks in the tube sample. The temperature controller caused cyclical variation in the bar temperature and hence in the thermal stress. However, the temperature variation did not have an effect on cracking; corrosion fatigue did not contribute to cracking, and the cracks had the classic branched transgranular morphology of chloride cracking. Copyright / Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2009. / Materials Science and Metallurgical Engineering / unrestricted

In this work, Slow Strain Rate Test (SSRT) testing, Light Optical Microscopy (LOM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) were used to study the effect of microstructure, corrosive environments and cathodic polarisation on stress corrosion cracking (SCC) of two grades of high strength steels, Type A and Type B. Type A is manufactured by quench and tempered (Q&T) method. Type B, a normalize steel was used as reference. This study also supports electrochemical polarisation resistance method as an effective testing technique for measuring the uniform corrosion rate. SSRT samples were chosen from base metal, weld metal and Heat Affected Zone (HAZ). SSRT tests were performed at room temperature under Open Circuit Potential (OCP) and cathodic polarisation using 4 mA/cm2 in 1 wt% and 3.5 wt% NaCl solutions. From the obtained corrosion rate measurements performed in 1 wt% and 3.5 wt% NaCl solutions it was observed that increased chloride concentration and dissolved oxygen content enhanced the uniform corrosion for all tested materials. Moreover, the obtained results from SSRT tests demonstrate that both Q&T and normalized steels were not susceptible to SCC in certain strain rate (1×10-6 s-1) in 1 wt% and 3.5 wt% NaCl solutions under OCP condition. It was confirmed by a ductile fracture mode and high reduction in area. The weld metal of Type A with acicular ferrite (AF), pro-eutectoid (PF) and bainite microstructure showed higher susceptibility to hydrogen assisted stress corrosion cracking compared to base metal and HAZ. In addition, typical brittle intergranular cracking with small reduction in area was observed on the fracture surface of the Type A due to hydrogen charging.

<p>  </p> <p>Stress corrosion cracking (SCC) is a longstanding critical materials challenge in austenitic stainless steels (AuSS). Recently, there has been mounting concern regarding the potential for Chloride-induced stress corrosion cracking (CISCC) along arc weld seams on austenitic stainless-steel canisters used as spent nuclear fuel (SNF) dry storage containers, due to the residual stress from the welding process and exposure to chloride-rich coastal air at storage sites. To ensure the safety of the SNF storage, fundamental understanding and mitigation methods of CISCC are critical in both engineering design and maintenance of the storage canisters before and after their deployment. With the recent development of high-resolution characterization and analysis techniques, a more robust and comprehensive understanding of the fundamental TGCISCC mechanism starts to be more accessible. In this thesis, comprehensive state-of-the-art techniques, including SEM, EBSD, HREBSD, FIB, ATEM, TKD, potential dynamic measurement, XRD, and nanoindentation will be used to further understand the mechanistic mechanism of TGCISCC in AuSS from macroscopic scale down to atomistic scale. </p>

Friction stir processing (FSP) has been utilized to locally process regions of arc weldments in 304L stainless steel to improve the microstructure and mechanical performance. The cast microstructure and coarse delta-ferrite has been replaced with a fine-grained wrought microstructure. Furthermore, twins were introduced throughout the friction stir processed region. Although sub-surface sigma and carbides were introduced during FSP, their presence is not expected to adversely affect the resulting mechanical or corrosion properties of friction stir processed 304L arc welds. The resulting mechanical properties of FS processed weldments were also an improvement over as-welded arc welds. FSP resulted in an increase of 6% for both yield and ultimate strength. It is expected that the improved microstructure will lead to improved stress corrosion cracking and general corrosion properties.

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